中國科學技術大學教授王亞等與浙江大學海洋精準感知技術全國重點實驗室合作,首次實現噪聲環境下糾纏增強的納米尺度單自旋探測。相關研究成果日前在線發表于國際期刊《自然》。

自旋是電子的一個基本屬性。探測單個自旋,不僅能為理解物性提供全新視角,更可以為發展單分子磁探測技術和推進量子科技奠定堅實基礎。然而,由于物質中含有大量自旋,對單個自旋的探測相當于在喧鬧的體育場中清晰捕捉某個人的竊竊私語,對探測技術提出了前所未有的挑戰。

因具備納米級的分辨能力和高靈敏的磁探測能力,金剛石氮—空位色心量子傳感器一直是實現單自旋探測的重要技術途徑。理論上,量子糾纏是突破單自旋探測瓶頸的可能途徑,它能將探測精度逼近量子力學所允許的極限。研究團隊通過材料制備與量子操控兩條路徑的協同創新,首次成功開發出糾纏增強型納米單自旋探測技術,在固態體系中實現了微觀磁信號靈敏度與空間分辨率的同步提升,為納米尺度量子精密測量技術的持續發展鋪平道路。

在材料制備上,研究團隊利用自主研發的超純金剛石生長與納米精度定點摻雜技術,成功制備出間距小至5納米的氮—空位色心對結構。在探測方法上,研究團隊創造性地將一對色心制備成一種特殊的量子糾纏態。這種狀態讓它們能“無視”來自遠端的相同背景噪聲,同時協同聚焦并放大近端目標單自旋的獨特信號。該策略成功解決了信號放大與噪聲干擾之間長期存在的矛盾,將探測單個自旋的空間分辨率提升了1.6倍。

中國科學技術大學供圖

研究人員表示,這項成果不僅通過實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優勢與潛力,也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強大的納米磁強計,為在原子層面研究量子材料打開新窗口,將為凝聚態物理、量子生物學和化學等領域提供革命性研究工具。

(原載于《科技日報》?2025-12-04?06版)